討論

由本章的實驗可證實，藉由同化本研究中定義的三種颱風特殊觀測量，可以在如 WRF 模式的高解析度三維全物理模式中完成颱風渦旋初始化，效用與 Chen et al.

（2006、2007）在二維正壓模式以及較低解析度的 WRF 模式中做的實驗類似。並且 我們發現颱風的三維結構可以在僅同化海表面單一一層軸對稱風速剖面的情況下被完 善建立，這不僅是因為 EnKF 可以在同化過程中獲得不錯的分析場，更是因為 WRF 模式本身的動力過程所致。藉著模式的向前積分，可以在模式中發展出與自身動力相 容的三維颱風渦旋結構，而持續且頻繁的 EnKF 更新會使系集中較接近觀測特性（中 心位置以及海表面軸對稱風速結構）的成員獲得較大的重視程度，使模式的整體特性 都往給定的觀測量調整，建構出我們想要的三維颱風渦旋。

影響 EnKF 效用的幾項關鍵因子的敏感度已在 3.5 節中被初步檢驗，就本實驗的 目標和模式設定而言，颱風中心附近網格解析度可能提昇至 4 ~ 5 公里左右會得到更 好的結果，系集成員數量 28 個還算堪用，而協方差擴張參數 ^ 的最佳設定約在 0.8 左右。在我們對其他幾個不同颱風案例做的初始化實驗中（圖未示），也觀察到類似 的現象。

另一方面，由 2.3.3 節（海表面軸對稱風速結構）略顯繁瑣的步驟可知，在本研 取得，QuikSCAT 衛星資料（Chou et al. 2009）與地面測站資料皆有參考價值，但卻 未必是最適合的高度，因為邊界層內的風速垂直變化率相當大，如果模式對邊界層的 易保存駛流資訊等（周昆炫 2003；Wu et al. 2006），在本方法中皆有改善。EnKF 的 結果在單次更新不要太劇烈（即線性假設依然適用）的情況下，所得到的新的分析場 本身就是平衡且符合該模式動力的，又由於有同化颱風移速的動作，初始化時段內對

颱風移動也能有一定程度的掌握。在技術問題方面，渦旋植入方案只適用於寬廣洋面 上，若有大陸或島嶼地形的干擾，貿然進行資料取代是不合適的，而本方法則較無此 限制，即使在大陸或島嶼附近亦能適用。

本方法的缺點有二，第一點是單次 EnKF 更新如果太過劇烈的話，會有不良的效 果（Chen et al. 2007），因此當初始系集的渦旋位置或結構已經與實際大氣相差太遠 時，本方法較難在短時間內使渦旋調整至給定的位置與結構，若強迫調整甚至會產生 不少副作用。第二點是本方法的初始化時段大約需要 12 ~ 36 小時，即如圖 4 所示要 提早一段時間就開始模擬，未如渦旋植入方案可在較短時間內就產生新的分析場。

本方法其實比較適合做長時段的模擬，尤其是對於比較強的颱風，最好自颱風生 成初期就開始進行同化分析，而不要在颱風已經很強時才切取強度相差甚遠的全球模 式分析作為初始場，如此一來模式中的颱風由就可以一直維持在相當接近觀測位置與 結構的狀態，每次 EnKF 更新的增量不會太大，有助於模式產生更穩定的分析與預 報。但以本章初始化實驗的執行方式，我們僅同化颱風特殊觀測量，未同化一般常態 性觀測資料，也就是說除了颱風的路徑和軸對稱結構外，沒有任何觀測資訊進入模式 中，這樣純粹預報的結果可能導致模式中的環境場和實際大氣的差異逐漸增大，也就 是說初始化的過程雖然使得颱風結構越來越接近實際狀態，但周圍的環境卻已不是最 新的分析場，這可能會使後續預報的表現變差。如果初始化時段的長度僅約一天，這 樣的顧慮或許不是很重要，但若我們想從較早的時間點開始模擬，我們勢必要同化其 他常態性觀測資料，類似作業模式的跑法，以維持環境場的資訊。這正是我們想要執 行第二部份實驗的主要動機，在下一章的實驗中，我們將以同一套 EnKF 系統同時同 化颱風特殊觀測量與一般觀測資料，進行涵蓋一颱風生命週期的長時間模擬分析。

第第

第第四四四四章 快速更新週期同化分析實驗章 快速更新週期同化分析實驗章 快速更新週期同化分析實驗章 快速更新週期同化分析實驗

在上一章的討論中（3.6 節）我們已經說明了設計第二部份實驗的原因。在本章 中，我們將以類似作業模式的跑法，用同一套 EnKF 系統同時同化颱風特殊觀測量與 一般觀測資料，維持環境場資訊與實際觀測的一致性，進行涵蓋一颱風生命週期的長 時間模擬分析。

作 業 模 式 中 一 般 會 同 化 的 觀 測 資 料 主 要 包 括 例 行 性 的 無 線 電 探 空 儀

（radiosonde）、地面測站資料、各式的衛星資料與飛機、船舶的例行性天氣報告 等，從飛機上施放的投落送（dropwindsonde）資料也會和探空儀資料一樣同化入模 式中。本研究由於所使用的模式和電腦資源未如作業單位中健全，在一般觀測資料的 部份，我們僅選取最具代表性的無線電探空儀和投落送觀測資料來同化。同化這些資 料的時間點與同化颱風特殊觀測量的時間相同，也就是每 30 分鐘同化一次，屬於快 速更新週期（Rapid Update Cycle；RUC）的同化方式，每一筆觀測資料將依照觀測 時間分配至最接近的時間點予以同化。

我們將最內層網格的解析度提昇至 5 公里，並且選取 2008 年 T-PARC 實驗期間 擁有大量額外飛機觀測資料的辛樂克（Sinlaku）颱風作為個案，期能發揮本方法的最 大效益，並且也可以初步探討 T-PARC 實驗資料在本方法中的影響程度。以下將分別 詳細介紹所使用的觀測資料、實驗設計、以及各組實驗的分析與預報結果。

4.1 模式設定模式設定模式設定模式設定

本實驗的模式範圍設定如圖 34，為提昇颱風中心附近的解析度，採三層巢狀網 格來模擬，水平解析度依次為 45、15、5 公里。圖 35 為本實驗的時間流程，初始系 集產生自世界時 2008 年 9 月 8 日 12 時的 NCEP FNL 分析場（初始系集產生方式詳見 2.2.7.2 初始系集產生方式），系集成員有 28 個，預跑 5 小時後，同化分析的時段為 9 月 8 日 17 時至 9 月 13 日 3 時，時間長度超過 4 天，涵蓋辛樂克颱風生成至發展出雙 眼牆的生命過程。最內層的巢狀網格自 9 月 9 日 3 時起才加入模式的颱風中心附近，

往後追隨颱風渦旋移動。其他的設定和第一部份颱風初始化實驗完全一樣（積雲參數 化只套用在水平解析度 45 公里與 15 公里的網格上）。

4.2 觀測資料與實驗設計觀測資料與實驗設計觀測資料與實驗設計觀測資料與實驗設計

4.2.1 例行性無線電探空儀例行性無線電探空儀例行性無線電探空儀例行性無線電探空儀

我們透過中央 氣象局取得全 球傳遞系統（ Global Telecommunication System ； GTS）上的一般例行性探空儀資料，其中在模式外層網格範圍內的資料都會被同化至 模式中，以維持模式環境場與真實大氣的一致性。同化的參數包括標準層（standard level）和特性層（significant level）上的水平風向量、溫度、相對濕度和重力位高度 等，觀測誤差的設定與 WRF-Var 中預設的觀測誤差相同。同化此項資料的協方差擴 張參數  （詳見 2.2.5 協方差擴張）設定為 0.5，與 Zhang et al.（2006）的設定相 同，協方差局地化的特性半徑 ^r0 （詳見 2.2.6 協方差局地化）設定為水平方向 400 公 里與模式垂直層數 15 層，也就是在三維方向上皆有作用。

同化分析時段內總共有 623 筆可用的無線電探空儀資料，空間分布如圖 36 中的 紅色圓圈所示，在陸地上較密集，並約略呈均勻分布，在洋面上則只有零星島嶼設有 探空測站；而時間分布則大量集中在綜觀時間（synoptic time）世界時 0 時與 12 時的 前後 1 小時內。

4.2.2 投落送投落送投落送投落送

T-PARC 實驗中的 4 架飛機對辛樂克颱風有密集的觀測，分別是台灣 DOTSTAR 計畫的 ASTRA 飛機、美國海軍的 C-130 飛機、美國海軍實驗室（Naval Research Laboratory；NRL）的 P-3 飛機與德國航太中心（German Aerospace Center；DLR）的 Falcon 飛機。這 4 架飛機的觀測策略各有不同，但皆有投擲投落送量測垂直大氣剖 面。DOTSTAR 和 Falcon 以環境偵察為主，飛行路線通常在距颱風中心 200 公里以 外，並且飛行在高對流層（約 200 ~ 170 hPa），其投落送資料幾乎涵蓋整層對流層大 氣；C-130 進行的是穿越颱風中心偵察，P-3 則對專門科學議題（如邊界層及對流區 之 Eldora 雷達觀測）有較特殊的飛行路線，兩者的飛行高度皆在 700 hPa 左右，因此 投落送資料僅涵蓋 700 hPa 至海面的區域。

C-130 的穿越偵察任務常在眼牆區域投擲投落送，這些投落送資料將測得眼牆極

端風速區的垂直大氣結構，是相當寶貴的資料，但用於一般的資料同化上問題卻相當 多。首先，若模式的解析度不足，模式中的颱風不可能具有真實颱風眼牆內的風速，

因此同化這樣的資料是不恰當的。再者，即使模式解析度夠，模式中颱風位置的微小 誤差就會造成觀測地點的風向有相當大的改變，甚至投落送在由投擲點下降至地面的 過程中可能會有 180 度以上的旋轉，所測得的風速也將有 180 度的改變，但一般同化 垂直大氣剖面的方式卻是將所有高度的資料都視為水平上同一個點，同化這樣風向變 異度大的資料很容易造成模式的劇烈不平衡，使模式的預報表現變差（ Aberson 2008）。基於以上因素，本研究特別將距離颱風中心 80 公里內的投落送資料（皆由 C-130 所投擲）獨立成一組，設計同化與不同化此部份資料的實驗，檢驗同化內核資 料造成的影響。

本研究同化投落送資料的方式與同化無線電探空儀資料的方式相同，包括觀測誤

本研究同化投落送資料的方式與同化無線電探空儀資料的方式相同，包括觀測誤